驱动开发硬核特训 · Day 31：理解 I2C 子系统的驱动模型与实例剖析

📚 训练目标：

• 从驱动模型出发，掌握 I2C 子系统的核心结构；
• 分析控制器与从设备的注册流程；
• 结合 AT24 EEPROM 驱动源码与设备树实例，理解 i2c_client 与 i2c_driver 的交互；
• 配套高质量练习题巩固理解。

一、I2C 子系统的本质：一个总线驱动子系统

在 Linux 内核中，I2C 是一个标准的总线型子系统（bus_type），不是 platform 设备模型。

I2C 子系统结构如下：

控制器驱动：使用 platform_driver 绑定 SoC 资源，注册 i2c_adapter。

设备驱动：使用 i2c_driver 注册，等待与 i2c_client 匹配。

二、源码分析：控制器是如何注册进来的？

以 NXP i.MX8MP 的 I2C 控制器为例，驱动路径：drivers/i2c/busses/i2c-imx.c。

static int i2c_imx_probe(struct platform_device *pdev)
{
    struct i2c_adapter *adapter;
    struct imx_i2c_struct *i2c_imx;

    // 1. 分配结构体
    i2c_imx = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*i2c_imx), GFP_KERNEL);

    // 2. 获取寄存器资源、时钟、中断
    i2c_imx->base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
    i2c_imx->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, NULL);
    i2c_imx->irq = platform_get_irq(pdev, 0);

    // 3. 初始化 i2c_adapter 结构体
    adapter = &i2c_imx->adapter;
    adapter->owner = THIS_MODULE;
    adapter->algo  = &i2c_imx_algo;
    adapter->dev.parent = &pdev->dev;
    adapter->nr = pdev->id;

    strlcpy(adapter->name, "i.MX I2C Adapter", sizeof(adapter->name));

    // 4. 注册适配器到内核
    return i2c_add_numbered_adapter(adapter);
}

该驱动注册的是 platform_driver，但其核心工作是初始化并注册 i2c_adapter。

三、设备是如何通过设备树挂载上来的？

设备树示例：

&i2c1 {
    status = "okay";

    eeprom@50 {
        compatible = "atmel,24c02";
        reg = <0x50>;
        pagesize = <16>;
    };
};

设备树加载过程：

1. 控制器节点 i2c1 被 platform_driver 匹配；
2. probe 中调用 i2c_add_adapter()，注册一条总线；
3. 子节点 eeprom@50 被 of_i2c_register_devices() 扫描；
4. 创建 i2c_client 对象（地址为 0x50）；
5. 内核查找合适的 i2c_driver 进行绑定。

四、i2c_driver 是如何匹配和驱动设备的？

以 AT24 EEPROM 驱动为例，路径为 drivers/misc/eeprom/at24.c。

1. 定义驱动匹配表和结构体

static const struct i2c_device_id at24_ids[] = {
    { "24c02", 0 }, { /* more */ }, {}
};

static const struct of_device_id at24_of_match[] = {
    { .compatible = "atmel,24c02" },
    { /* more */ }, {}
};

static struct i2c_driver at24_driver = {
    .driver = {
        .name = "at24",
        .of_match_table = at24_of_match,
    },
    .probe = at24_probe,
    .remove = at24_remove,
    .id_table = at24_ids,
};

module_i2c_driver(at24_driver);

2. 驱动入口：probe 函数

static int at24_probe(struct i2c_client *client,
                      const struct i2c_device_id *id)
{
    // 打印设备信息
    dev_info(&client->dev, "AT24 EEPROM detected at address 0x%x\n", client->addr);

    // 挂载到 MTD、NVMEM 或字符设备（不同内核版本机制不同）
    return devm_nvmem_register(...);
}

驱动完成初始化后，用户可通过 sysfs 或 i2c-tools 访问 EEPROM 内容。

五、如何访问设备？—— 使用 i2c_transfer

int i2c_transfer(struct i2c_adapter *adap,
                 struct i2c_msg *msgs, int num);

示例：读 EEPROM

u8 addr = 0x00;
u8 buf[16];

struct i2c_msg msgs[2] = {
    {
        .addr = client->addr,
        .flags = 0,
        .buf = &addr,
        .len = 1,
    },
    {
        .addr = client->addr,
        .flags = I2C_M_RD,
        .buf = buf,
        .len = 16,
    }
};

i2c_transfer(client->adapter, msgs, 2);

六、练习题目（含答案）

💡 题目 1：以下哪个结构体代表 I2C 总线控制器？

A. struct i2c_driver
B. struct i2c_client
C. struct i2c_adapter
D. struct i2c_msg

✅ 答案：C

i2c_adapter 表示控制器，负责发起读写。

💡 题目 2：哪一个函数用于驱动注册设备驱动（如 AT24）？

A. platform_driver_register()
B. i2c_add_adapter()
C. i2c_register_driver()
D. of_register_platform_driver()

✅ 答案：C

i2c_register_driver() 会将 i2c_driver 注册到 i2c_bus_type 下，由内核匹配。

💡 题目 3：设备树中 reg = <0x50>; 表示的含义是什么？

A. 设备在系统内的 IRQ 编号
B. I2C 控制器的总线编号
C. 设备的物理地址
D. 设备在 I2C 总线上的从地址

✅ 答案：D

在 I2C 总线中，reg 对应从设备地址（如 0x50 即为 EEPROM 地址）。

七、实战建议与延伸学习

推荐进一步学习内容：

• 使用 i2c-tools 进行测试：i2cdetect, i2cget, i2cset
• 理解 regmap + i2c 的结合方式（如 codec 驱动）
• 在 I2C 多路复用器（i2c-mux）场景下的子设备建模

八、结语

Linux 的 I2C 子系统是一个典型的“总线-设备-驱动”三段式模型。
控制器使用 platform_driver 驱动，而子设备由 i2c_driver 管理，匹配过程由 I2C 核心完成。

通过本文，我们不仅从结构上掌握了子系统的组织方式，也通过实际代码洞察了其内部运行机制，并借助练习巩固了要点。

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